JPH046460A - 酸素濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素濃度センサ、特に酸素イオン伝導性固体電
解質を用いた酸素濃度センサに係る。

ご従来の技術： 第８図を参照して従来の酸素濃度センサを説明する。セ
ンシング素子１のポンピングセル１０１　は酸素イオン
伝導性固体電解質であるジルコニアからなり、ヒータ１
０２　との間にチャンバ１０３を形成し、ポンピングセ
ル１０１はチャンバ１０３内から酸素を吸い出し、周囲
に放出する。この酸素吸い出しの際にポンピングセル１
０１中を流れる電流は、周囲ガス中の酸素濃度に比例す
る。この電流が酸素濃度センサの出力となる。

このセンサは、精度を保証するためにはチャンバ１０３
内外の酸素濃度の比を一定に保つ必要がある。

（センサ端子間の電圧） （起電力）＋（センサ内部抵抗にかかる電圧）〔ここに
起電力は、チャンバ１０３内外の酸素濃度比に対応する
〕 の関係があるので、検出回路２において、センシング素
子１の内部抵抗Ｒ３と電流検出抵抗Ｒ３との比率と同じ
比率の抵抗Ｒ３，Ｒ２を組み合わせることによって起電
力（チャンバ１０３内外の酸素濃度比）を一定にしてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記において、センシング素子１の温度が変化すると、
内部抵抗Ｒｓが変化して起電力を一定にできず、正確な
酸素濃度測定ができなくなるという問題がある。

そこで、本発明は、温度が変化しても起電力を一定に保
ち、正確な酸素濃度測定ができるようにすることを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、酸素イオン伝導
性固体電解質の一方の側面は雰囲気に開放されて接し、
他方の側面は酸素分子拡散制限手段を介して雰囲気に接
し、該固体電解質の両側面間に電圧を印加して該酸素分
子拡散制限手段側から開放側へ酸素を輸送し、両端側の
酸素濃度比を一定にし、その電流れる電流を検出して雰
囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度センサにおいて、
該固体電解質の抵抗−温度特性を補償する抵抗−温度特
性を有する電気抵抗素子を、該固体電解質と直列に接続
し、該固体電解質と該電気抵抗素子の結合体の両端に一
定電圧を印加することを特徴とする酸素濃度センサを提
供する。

〔作　用〕

本発明では、ポンピングセル１０１　と逆の温度−抵抗
特性を持つ抵抗素子１０４をポンピングセルと電気的に
直列に接続したことによって、センサ温度が変わっても
、ポンピングセル１０１の内部抵抗Ｒ５と抵抗素子１０
４の抵抗Ｒ０の合成抵抗が変わらない。したがって、セ
ンシング素子１の温度に関わらず、起電力を一定に保つ
ことができ、正確な酸素濃度測定が可能である。

〔実施例〕

第１図にセンサの模式的構成、第２図にアッセンブリ構
成を示す。

１はセンシング素子で、第１図では正面図とともに平面
図、側面図も描かれている。

１０１はポンピングセルである。ポンピングセル１０１
は板状のジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質で
、その裏表面にそれぞれ多孔質の薄膜状貴金属電極１０
１１　、１０１２を設けている。

１０２はヒータである。ヒータ１０２は板状の電気絶縁
材料の表面に電熱線１０２１を印刷したものである。

１０２２　、１０２３は電熱線１０２１の端子である。

１０４は抵抗素子である。抵抗素子１０４は「コ」の字
形の切り欠きを持つ板状の物（正特性サーミスタ）で、
その抵抗値Ｒ丁は第３図に示すように温度に対して、ポ
ンピングセルの内部抵抗Ｒ３と逆の特性を持っている。

この抵抗素子はポンピングセルの内部抵抗の温度特性を
補償するものを選択するが、例えば（Ｂａ−３ｒ−Ｐｂ
）Ｔｉｅ３焼結体などが用いられる。

抵抗素子１０４は、ポンピングセル１０１　とヒータ１
０２に挟まれて積層され、その「コ」の字形の切り欠き
の部分は、チャンバ１０３　となっている。

ポンピングセル１０１の電極１０１２と抵抗素子１０４
は、互いに接しており、電気的には直列に配置されてい
る。

抵抗素子１０４には、端子１０４１が、ポンピングセル
１０１の電極１０１１には、端子１０１３が設けられて
いる。

端子１０４１は接地されている。

２は検出回路である。検出回路２はオペアンプ２０１、
定電圧電源２０２、電流検出抵抗ＲＩ　、調整抵抗Ｒ２
，Ｒ３から成る。電流検出抵抗Ｒ０は、端がポンピング
セル１０１の端子１０１３、オペアンプ２０１の入力２
０１１、出力端子２０と結線されており、他の一端がオ
ペアンプ２０１の出力２０１３、出力端子２０４と結線
されている。調整抵抗Ｒ２は、一端がオペアンプ２０１
の人力２０１２、調整抵抗Ｒ３と結線されており、他の
一端がオペアンプ２０１の出力２０１３と結線されてい
る。調整抵抗Ｒ３の上述のＲ２と結線されていない側は
、定電圧電源２０２の正電位側と結線されている。定電
圧電源２０２の負電位側は接地されている。

ボンピングセル１０１の内部抵抗Ｒ５、抵抗素子の抵抗
ＲＴ、電流検出抵抗Ｒ１、調整抵抗Ｒ２，Ｒ３は、 （ＲＴ　＋Ｒ５）／Ｒ＋　　＝Ｒ３／Ｒ２の関係を持っ
ている。

３０１は外カバー、３０２は内カバー、３０３はカバー
ホルダである。外カバー３０１、内カバー３０２は、そ
れぞれ、ガス導入孔３０１１　、３０２１が設けである
。

外カバー３０１　と内カバー３０２、外カバー３０１　
とカバーホルダ３０３はそれぞれ溶接によって結合され
ている。

４０１はハウジング、４０２．４０４は無機接着剤、４
０３はガラス、４０５は導線部ハウジング、４０６はコ
ネクタホルダ、４０７はコネクタ、４０８はコネクタホ
ルダエンド、４０９はヒータ導線で、４０９１はヒータ
高圧側導線、４０９２はヒータ接地側導線である。

４１０は信号検出用導線で、４１０１は接地側導線、４
１０２は信号側導線である。

上述の４０１〜４０８までの各構成要素は、円柱または
円筒形状を成し、第２図の如く配置されている。

ハウジング４０１　と導線部ハウジング４０５は溶接に
より結合され、導線部ハウジング４０５はコネクタホル
ダエンド４０８のところでカシメられている。

５はガスケットである。

ヒータ１０２　に通電してボンピングセル１０１を加熱
し、ボンピングセル１０１　に電流を流すと、電極１０
１２では、 ０２″−４ｅ→２０２ の電気化学反応によってボンピングセル中へ酸素の注入
が起こる。

一方、電極１０１１では、 ２０２−−０２　＋　４　ｅ の反応によって酸素の放出が生じる。これは酸素ポンプ
作用として知られている。この酸素ポンプ作用によって
、チャンバ１０３内では、雰囲気中よりも酸素濃度が低
くなる。

ここで、チャンバ１０３内と雰囲気中の酸素濃度の比が
一定の時に、上述の酸素ポンプ作用に要する電流（以下
ボンピング電流と称す）は、雰囲気中の酸素濃度に比例
する。

ところで、ボンピングセル１０１の両端で酸素濃度が違
う場合、濃淡電池作用によって、ボンピングセル１０１
の端子間に起電力が発生する。したがってチャンバ１０
３内と雰囲気中の酸素濃度の比を一定にするには、上述
の起電力を一定にすれば良い。

（ボンピングセル１０１の端子間の電圧）（起電力）＋
（ボンピングセル１０１の内部抵抗Ｒ５に加わる電圧） の関係があるので、ボンピングセル１０１の内部抵抗Ｒ
ｓの変化に合わせてボンピングセル１０１の端子間の電
圧を変化させれば起電力が一定になる。

オペアンプ２０１の人力２０１１と２０１２は同電位と
なり、 （ＲＴ　＋Ｒｓ　）／Ｒ１＝Ｒｓ　／Ｒ２（ＲＴ　＋Ｒ
ｓ　）　＝一定 の関係から、ボンピングセル１０１の端子間の電圧は、
ボンピングセル１０１の内部抵抗Ｒ８と同時に変化する
たｔ、起電力は常に一定となり、ボンピング電流は、セ
ンサ温度に関係無く雰囲気中の酸素濃度に比例する。ボ
ンピング電流は、出力端子２０３、２０４の端子間の電
位差にて検出される。

第４図に第二の実施例を示す。この実施例では、ヒータ
１０２を中にして、絶縁材１０５．１０６を介して、抵
抗素子１０４、ボンピングセル１０１を積層している。

第５図に第三の実施例を示す。この実施例では、絶縁材
１０５を中にして、抵抗素子１０４、ボンピングセル１
０１で挟んで積層し、さらにその外側にヒータ１０２−
１．　１０２−２を設けている。

第６図に第四の実施例を示す。この実施例では、ヒータ
１０２　にピンホール１０２４を設け、チャンバ１０３
の開口部としている。

第７図に第五の実施例を示す。この実施例では、電極１
０１１上を多孔質層１０７て覆っている。

以上述べた実施例では、ボンピングセルの陰極と雰囲気
の間にスリット、ピンホール、多孔質を設けたが、これ
らは、酸素輸送を制限する手段であれば良い。

口発明の効果〕 本発明の酸素濃度センサは、酸素イオン伝導性固体電解
質の内部抵抗−温度特性を補償する電気抵抗素子を設け
たことにより、センサの出力が温度に依存せず、一定に
される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度センサの模式的構成図、第２図は酸素
濃度センサの全体断面図、第３図はポンピングセルと電
気抵抗素子の抵抗−温度特性図、第４〜７図は酸素濃度
センサの他の実施例の模式断面図及び側面図、第８図は
従来技術の酸素濃度センサの模式的構成図である。 １０１・・・ボンピングセルベ　　１０２＝−・ヒータ
、１０３・・・チャンバ、　　　　　１０４・・・抵抗
素子。 第　１図 センシング素子 １０１　　ボンピングセル １０２　　ヒータ １０３　　チャンバ １０４　　抵抗素子 ２　検出回路 ２０１　　オペアンプ 温度 第３図 第４図 第 図 第 図 第 図 １０１　　ボンピングセル １０２　　ヒータ １０３　　チャンバ 検出回路 ２０１　　オペアンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、酸素イオン伝導性固体電解質の一方の側面は雰囲気
   に開放されて接し、他方の側面は酸素分子拡散制限手段
   を介して雰囲気に接し、該固体電解質の両側面間に電圧
   を印加して該酸素分子拡散制限手段側から開放側へ酸素
   を輸送し、両端側の酸素濃度比を一定にし、その際流れ
   る電流を検出して雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃
   度センサにおいて、該固体電解質の抵抗−温度特性を補
   償する抵抗−温度特性を有する電気抵抗素子を、該固体
   電解質と直列に接続し、該固体電解質と該電気抵抗素子
   の結合体の両端に一定電圧を印加することを特徴とする
   酸素濃度センサ。